Четвертая концептуальная схема химии: эволюционная химия

В 60—70-е гг. XX в. появился четвертый способ решения основной проблемы химии, открывающий пути для использования в производстве материалов самых высокоорганизованных химических систем, какие только возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, вопрос о происхождении вещества для химиков не представлял интереса, поскольку получение любого нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека. Молекулы новых химических соединний конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать было нельзя. Но изучение и освоение опыта живой природы было давней мечтой ученых.

Первые шаги на этом пути были сделаны еще И. Берцелиусом, который установил, что в основе функционирования живого организма лежит биокатализ. Затем исследования в этом направлении велись Ю. Либихом, П. Бертло и, наконец, Н.Н. Семеновым. Работы этих ученых способствовали укреплению связи химии с биологией.

Постепенное развитие науки в XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. На повестке дня стояло изучение характера химических процессов в живых тканях, обусловленность биологических функций химическими реакциями.

Как было установлено учеными в XIX в., основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. Они стремятся к новым принципам управления химическими процессами, в которых будет применяться синтез себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности до сих пор.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем. Также возможно частичное практическое применение выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Для этого нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма. На этой основе и возникла эволюционная химия как новая наука, пролагающая пути принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

Таким образом, возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов-ферментов. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знаний в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.

Во-первых, химики ведут исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов.

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри живой клетки, вне клетки быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем. При этом ферменты, выделенные из живого организма, закрепляются на твердой поверхности путем адсорбции. Пионером в этой области выступил русских химик И.В. Березин. Благодаря его исследованиям биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.

В-четвертых, глобальной целью современной химии является решение самой широкой задачи — освоение и использование всего опыта живой природы. Это позволит химикам создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, человечество получит в свое распоряжение принципиально новые химические технологии.

Зарождение эволюционной химии произошло в 1960-е гг., когда были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались. Так химики обратили внимание на процессы самоорганизации в химических системах, подняв тем самым химию на качественно новый уровень. При этом впервые было обращено внимание на существование в природе химических систем разной степени сложности, а также на процесс перехода от химических систем к биологическим.

Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.

Субстратный подход

В рамках субстратного подхода было отмечено, что при переходе к простейшим формам жизни шел особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Эти элементы в химии получили название органогенов.

Результатами такого подхода стала информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобным биологической эволюции. В настоящее время наукой открыто 110 химических элементов. Большинство из них попадает в живые организмы и участвует в их жизнедеятельности. Однако основу жизнедеятельности обеспечивают только шесть химических элементов-органогенов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их суммарная весовая доля в структуре живого организма составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биологических систем (натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель). Их весовая доля в организме составляет 1,6%. Кроме того, существует еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, весовая доля которых составляет около 1%. Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют.

Общая химическая картина мира также весьма убедительно свидетельствует об отборе химических соединений. В настоящее время химической науке известно около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (96%) составляют органические соединения, которые образованы на основе все тех же 6—18 элементов. А из остальных 90 химических элементов природа создала всего лишь около 300 тысяч неорганических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20. Лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов и химических соединений образовались сложнейшие биосистемы. Без этого ученые не смогут приспособить к своим нуждам простые химические системы и получить из них более сложные соединения.

Можно предположить, что определяющими факторами в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем, выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям:

способность образовывать прочные и, следовательно, энергоемкие связи;

эти связи должны быть лабильными (изменчивыми), способными к образованию новых разнообразных связей.

Данным условиям отвечает углерод — органоген номер один. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реали-зовывать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия.

Азот, фосфор и сера как органогены, а также железо и магний, составляющие активные центры ферментов, также лабильны. Кислород и водород свойством лабильности обладают в меньшей мере, поэтому являются носителями окислительных и восстановительных процессов.

Сегодня также ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.

Если говорить о гипотезах происхождения жизни в ходе предбиологического этапа химической эволюции, то прежде всего следует исходить из того, что атмосфера ранней Земли была, скорее, «восстановительной», так как в древних породах преобладают металлы: в восстановленной форме (например, двухвалентное железо), а в более молодых — в окисленной (железо трехвалентное). Опыты, проведенные в лаборатории, показывают, что органические вещества в восстановительной среде создаются легче, чем в окисленной. На первой стадии из простых неорганических соединений появились углеводороды. Возможность образования сложных соединений из простых доказана многими исследованиями.

Органика (возможно, углеводороды) возникла в океане из более простых соединений — предположил А.И. Опарин (1923). Необходимую энергию давало Солнце, ультрафиолетовая часть его излучения не поглощалась озоновым слоем (который еще не образовался). Разнообразие простых соединений в океанах, большая водная площадь, обилие солнечной энергии, действовавшей длительное время, образовали «первичный бульон», в котором стали возникать органические соединения. Похожая идея была положена в основу концепции и английского естествоиспытателя Дж. Холдейна (1929).

Момент перехода от неживого к живому — решающий для мировоззрения. У Опарина жизнь возникает на уровне многомерных структур — коагулянты, гели и коацерваты — в «момент выпадения геля или образования первородного студня», и «с некоторыми оговорками мы даже можем считать этот впервые возникший на Земле кусочек органической слизи первичным организмом. В самом деле, он должен был обладать многими из тех свойств, которые в настоящее время рассматриваются как признаки жизни». Он описал (1936) коллоидную фазу возникновения жизни и развитие способности к фотосинтезу у предков растительных организмов. Коацерваты уже могут увеличиваться в размерах, делиться на части и подвергаться химическим изменениям ввиду явлений на границе возможного расслоения. Эти граничные явления имеют зачатки метаболизма, а переход к живому происходит тогда, когда на смену «соревнованию в скорости роста приходит борьба за существование». Возникновение и обострение этой борьбы — результат нехватки для «питания» коа-церватов запасов «предбиологической» органики. Эта нехватка приводит к существованию различных путей получения пищи, организмы до перехода к биологическому уровню развития разделяются на автотрофные и гетеротрофные. При иссякании запасов органического материала вне коацерватов вступали в действие «естественный отбор» и другие биологические факторы, происходил переход к организмам.

Подобные условия, существовавшие на Земле 3 — 4 млрд лет назад, в 1953 г. создали в лаборатории американского биохимика Г. Юри — искровой разряд пропускали через смесь метана, аммиака, водорода и воды. В установке Миллера удалось синтезировать ряд аминокислот, глутаминовую кислоту, аденин, глицин и простые сахара. После этого Орджел синтезировал простые нуклеиновые кислоты. Другие ученые стали использовать нагревание, пропускание (3-лу-чей и ультрафиолета, и оказалось, что различные источники свободной энергии приводили к образованию сходных веществ. Попадание полученных веществ в воду предохраняло от обратного распада на простые соединения, а взаимодействие друг с другом открывало возможность эволюции. Наиболее эффективным источником оказалось солнечное излучение в диапазоне (2...2,5) 107м. Солнечное излучение способно обеспечить ход мощных процессов синтеза, неорганического фотосинтеза, чтобы начали «выживать» более сложные молекулы вместо простых.

Теория Опарина получила признание, но оставалось неясным, как из простейших веществ вдруг образовалась молекула, способная размножаться. Так считал и известный американский генетик Г. Миллер: жизнь возникла в форме гена — элементарной единицы наследственности — путем случайного сочетания атомных групп и молекул, встречавшихся в водах первичного океана. В 1966 г. немецкий биохимик Г. Шрамм подсчитал вероятность случайного сочетания 6000 нуклеотидов, образующих РНК вируса табачной мозаики, и получил число 1/102000. Так как считается, что число нуклонов во Вселенной равно 1080, то за 109 лет, отведенных для синтеза простейшего организма, невозможно получить хотя бы одну такую молекулу. Поэтому гипотеза случайного соединения не пользуется признанием. Хойл высказался столь красочно, что его слова вошли в фольклор: эта идея «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке «Боинга-747».

А.И. Опарин разрабатывал свою гипотезу происхождения жизни — возникновение живого в результате взаимодействия простейших органических соединений при постепенном усложнении. Этим процессам благоприятствовали высокое содержание простых органических соединений в поверхностных водах еще молодой Земли, наличие разнообразных условий, постоянный приток энергии от Солнца, в том числе и жесткого ультрафиолета. Возник круговорот веществ, и из взаимных превращений абиотических веществ образовались процессы синтеза и распада органики, стали сохраняться более устойчивые соединения и распадаться малоустойчивые. Если бы шли только процессы синтеза, то структуры усложнялись, но никакого обмена веществ не произошло, т. е. получилась бы не жизнь, а кристаллизация. Если жизнь начала развиваться как единство процессов синтеза и деструкции органического вещества, то вряд ли на первых этапах она была связана с простейшими организмами, подчеркивал Бернал (1969). Стало быть, жизнь появилась раньше живых организмов.

Теория Опарина включает разработку эволюции процессов обмена веществ. Он считал, что механизм запасания солнечной энергии с помощью хлорофилла достаточно сложен и не мог возникнуть быстро, как и процесс окисления некоторых неорганических соединений (серы или железа), используемых микроорганизмами для биосинтеза. Как сторонник первичного обмена веществ, протекающего в коацерватной системе, он считал появление в ней нуклеиновых кислот завершением эволюции в итоге конкуренции протобионтов. Из-за амфотерности молекул белка образовывались коллоидные гидрофильные комплексы, создавая оболочку типа эмульсии. При слиянии таких комплексов друг с другом образуются коацерваты (от лат. coacervatus — накопленный, собранный), отделяющие коллоиды от остальной водной среды. Различные коацерваты являлись сырьем для биохимического естественного отбора. В них происходили дальнейшие химические реакции, при поглощении ими ионов металлов образовывались ферменты. Вдоль границ выстраивались сложные углеводороды типа мембран клетки, обеспечивающие стабильность.

Судьба коацерватной капли определялась тем, какой процесс в ней оказывался преобладающим — роста или распада. Поскольку состав среды, в которой образовывались капли, мало отличался от них, сохранение устойчивости не испытывало затруднений. Отличающееся от среды распадалось, а остальное сохранялось и росло. Так происходил отбор капель, наиболее устойчивых в данных условиях. За миллионы лет бесчисленное их число растворилось в Мировом океане, сохранилась лишь малая часть. Достигнув определенных размеров, одна капля могла распасться на дочерние, и те из них, которые соответствовали по структуре материнской, росли дальше, а резко отличные — распадались. В процессе длительного отбора сохранялись только капли, не теряющие своей структуры, т.е. приобретшие свойство самовоспроизведения. При попадании в коацерват способной к воспроизведению молекулы и внутренней перестройке липидной оболочки могла образоваться и простейшая клетка. Процесс мог развиваться и привести к образованию простейшего организма, питающегося органическими веществами из первичного бульона. Появление самовоспроизведения закрыло этап предыстории развития жизни. Коацерватная капля стала живым организмом, открылась возможность прогрессивной эволюции.

Понятие конкуренции гиперциклов, или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул, распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, кроме принципа дарвиновского отбора, и ввел М. Эйген в своей знаменитой работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эту концепцию можно назвать гипотезой реплицирующихся молекул.

Полимеризация молекул на пути к живой клетке не могла идти путем перебора вариантов, для чего требуется время, большее времени существования Вселенной. Молекулы быстро и экономично складываются в полимерную цепочку по четкому правилу, коду. Те циклы, которые работают быстрее и эффективнее, чем остальные, и «побеждают» в конкурентной борьбе. Пищей служат молекулы мономеров, которые хотят поглотить, присоединить к себе макромолекулы полимеров, или, точнее, циклы реакций. В первичном бульоне присутствуют и катализаторы химических реакций, которые сами образуются в них как промежуточные продукты, тем самым протекающие реакции похожи на реакции типа Белоусова—Жаботинского, т.е. являются автокаталитическими. Эйгену еще не было известно, что через несколько лет такие самоорганизующиеся системы начнут изучать в разных областях науки, выделят принципы самоорганизации и появится новая область знания — синергетика. Так появились гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка в процессе эволюции, и новая модель предбиологической эволюции.

Сначала нуклеотидная система была голой, т.е. находилась в комплексе с протеинами и обеспечивала свою саморепродукцию. Но в абиотических условиях сразу «зародился» нуклеиново-протеиновый комплекс, так как полинуклеотиды без ферментов не способны к саморепродукции. Общее признание в этой концепции получила идея, согласно которой блоками макромолекулы была ДНК или РНК. В 80-е гг. было обнаружено, что РНК способна к самовоспроизведению без посредничества белков — ферментов. В 1989 г. сформировалось представление о древней РНК, совмещающей черты фенотипа и генотипа (Д. Джойс), что реализовыва-ло идею Дарвина об эволюции ее в ДНК с утратой самостоятельных каталитических функций. Но вскоре оказалось, что в условиях, существовавших на древней Земле, синтез РНК протекал бы с трудом. Кроме того, непонятно участие довольно редкого элемента — фосфора — в качестве компонента нуклеиновых кислот.

В 1981 г. М.Эйген продемонстрировал, что в растворах мономеров нуклеотидов в присутствии фермента полимеразы могут синтезироваться полимерные молекулы РНК, способные к репликациям, мутациям и даже к борьбе за существование с молекулами-предками. В 1974 г. Л. Орджел экспериментально показал, что нуклеотидные мономеры полимеризуются и без полимераз, образуя в конечном итоге РНК, если в растворе имеется «затравка» этой молекулы. Таким образом, доказана автономность и возможность образования на Земле органических веществ, лежащих в основе метаболизма живых существ, и нуклеиновых кислот, носителей наследственной информации. На базе экспериментов Эйгена и Орджела сформировалась гипотеза возникновения жизни по схеме «гены—ферменты—метаболизм», утверждающая одномоментное появление репликации и метаболизма (Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. М.: Академия, 2006. С. 508 – 516).

Функциональный подход

В рамках функционального подхода в современной химии также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем. Было отмечено, что ведущую роль на предбиологической стадии эволюции играл катализ. Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые напрямую стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Иными словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

Исходя из этого профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность данной теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, а следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. Выше мы упоминали, что при катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора и реагентов с образованием промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой промежуточный каталитический комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток новых реактивов извне и отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, то реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, базисная реакция — не только источник энергии, но и орудие отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.

Возникает явление автокатализа, при котором продукты реакции выступают как катализаторы, ускоряющие дальнейшее протекание реакции. При этом реакция становится саморазвивающейся, и элементарная открытая каталитическая система подходит к первому пределу в своем развитии, когда рост скорости базисной реакции начинает ограничиваться постоянной температурой системы. Тогда некоторые элементарные каталитические центры становятся способными осуществлять не один, а несколько циклов базисной реакции.

На следующем этапе развития элементарной каталитической системы скорость реакции начинает ограничиваться концентрацией реагирующих веществ. При этом система подходит ко второму пределу в своем развитии, который преодолевается с помощью пространственного дублирования каталитических систем, их разъединения и дальнейшего самостоятельного существования. А самовоспроизведение (точное пространственное дублирование) является признаком не химической, а биологической эволюции. Именно так с матричных молекул ДНК считывается наследственная информация и на этой основе строится новая молекула. Таким образом, второй кинетический предел саморазвития элементарных открытых каталитических систем является пределом добиологической химической эволюции. После этого возможности добиологической эволюции, проходящей по законам химии, исчерпываются, и начинается эволюция биологическая.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая нестационарная кинетика, которая занимается теорией управления нестационарными процессами — реакциями с меняющимися условиями. Сегодня исследователи приходят к выводу, что стационарный режим, надежная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности промышленного процесса, является лишь частным случаем нестационарного режима. При этом было обнаружено множество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции.

Если же проанализировать представления о предбиологической эволюции в целом, станет очевидным ее в целом закономерный, прогрессивно направленный характер. Этот факт в химии осознан давно и, пожалуй, наиболее четко отражен в формате принципа биохимического предопределения, сформулированного Д. Кеньоном: на всех этапах эволюции от возникновения элементов до формирования протоклеток, наблюдается устойчивая тенденция к образованию живых систем, основанных на углероде.

Данный принцип можно рассматривать как химический аналог АКП в физике. Сказанное не означает, что жизнь и разумный наблюдатель являются целью эволюции природы. Однако значения физических констант, свойства атомов и молекул таковы, что возникновение сложноорганизованных структур в Метагалактике оказывается достаточно вероятным – хотя разумеется, не на каждой планете это происходит (случайность здесь есть проявление необходимости).

Таким образом, рассмотренные концепции химии позволяют говорить о существовании химической картины мира, т.е. такого взгляда на природу с точки зрения химии, в котором определяются место и роль химических объектов и процессов в реальном природном многообразии. Ее содержанием является:

обобщенное знание эпохи о том, что представляют собой объекты живой и неживой природы с точки зрения их химического содержания. Сюда входит учение о многообразии частиц вещества и его химической организации;

представление о едином происхождении всех основных типов природных объектов, их естественной эволюции;

зависимость химических свойств природных объектов от их структуры;

общие закономерности природных процессов как процессов химического движения — взаимодействия реагирующих веществ друг с другом и окружающей средой;

знание о специфических объектах, синтезируемых в практической деятельности химиков (Садохин А.П. Концепции современного естествознания. М.: Юнити, 2006. С. 184 – 211).